Xây dựng bộ điều khiển trượt cho hệ turbine phát điện gió khi xét đến các thành phần nhiễu bất định

Bài viết Xây dựng bộ điều khiển trượt cho hệ turbine phát điện gió khi xét đến các thành phần nhiễu bất định trình bày kết quả tổng hợp bộ điều khiển trượt cho hệ máy phát điện turbine gió khi tính đến nhiễu loạn gió.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT CHO HỆ TURBINE PHÁT ĐIỆN GIÓ KHI XÉT ĐẾN CÁC THÀNH PHẦN NHIỄU BẤT ĐỊNH BUILDING A SLIDE CONTROLLER FOR WIND GENERATOR TURBINE SYSTEM CONSIDERING DIFFERENT COMPONENTS Ngày nhận bài: 27/7/2021, Ngày chấp nhận đăng: 14/9/2021, Phản biện: TS Phạm Văn Hùng Tóm tắt: Bài báo trình bày kết tổng hợp điều khiển trượt cho hệ máy phát điện turbine gió tính đến nhiễu loạn gió Các kết khảo sát đánh giá mô phần mềm Matlab-Simulink cho thấy điều khiển đảm bảo yêu cầu chất lượng nguồn phát nối lưới, tối ưu hóa q trình chuyển đổi lượng cho tuabin gió Từ khóa:Tuabin gió, điều khiển trượt, nối lưới Abstract – This paper presents the results of synthesizing the sliding controller for wind turbine generator system when taking into account wind disturbance The survey results evaluated by simulation on Matlab-Simulink software show that this controller ensures the power quality requirements when connecting to the grid, optimizing the energy conversion process for wind turbines Keywords: Wind Turbine, Sliding mode control, grid connection MỞ ĐẦU Năng lượng gió nguồn lượng tái tạo quan trọng, lượng sạch, có mặt khắp nơi trái đất, tương đối rẻ nguồn lượng tái tạo khác sản xuất cung cấp điện cho khu vực xa xôi nơi lưới điện không nối tới Năng lượng gió (wind energy) hướng nghiên cứu nhà nghiên cứu giới nước quan tâm đến [3], [4] Sự tham gia máy điện gió cung cấp lượng công suất đáng kể bên cạnh máy phát nhiệt điện thủy điện [6] Trong máy phát điện dị nguồn kép (Doublyfed induction generator-DFIG) hãng sản xuất tuabin gió sử dụng rộng rãi nhờ ưu thế: thiết bị điều khiển sử dụng van bán dẫn công suất lớn đặt phía rotor nên cần thiết kế với cơng suất khoảng 20÷30% cơng suất máy phát, dẫn đến giá thành hệ thống hạ xuống nhiều [2] Mục tiêu điều khiển hệ phát điện gió đạt hiệu tối đa khai thác lượng gió, tức phải bám điểm công suất cực đại MPPT (maximum power point tracking) Bộ điều khiển trượt SMC (sliding mode control) đề xuất dùng điều khiển mô men xoắn nhằm đạt MPPT Hơn SMC có tính bền vững cao, có khả chống lại nhiễu loạn bất định thơng số mơ hình MƠ HÌNH CƠ HỆ Xét mơ hình hệ thống điện tổng qt hình [1] Số 28 103 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Lưới 50 Hz Điện áp Stator Hộp số Chuyển đổi nối rotor Chuyển đổi nối lưới Điện áp Rotor Bộ bám đỉnh công suất Bộ điều khiển trượt Hình Mơ hình máy phát điện gió Khi gió xun qua vịng qt của khiển cho hệ thống lượng gió tuabin tạo lực tác động vào độc lập chia thành nhiều vòng điều tuabin Các lực bao gồm lực đẩy (tác khiển để đảm bảo nguồn lượng động vào trụ cánh quạt) mô men cung cấp ổn định liên tục cho tải xoắn (làm quay rotor) Lực đẩy ( FT ), mô cục Bài báo quan tâm thiết kế điều khiển để tối ưu hóa trình men xoắn (Tr ), cơng suất Pr : chuyển đổi lượng cho tuabin gió nên mơ hình hóa động học tuabin FT R 2CT ( , ) gió, truyền động máy phát hình (1) sau: T R C ( , ) r Pr 2 Q R 2C P ( , ) Trong ⍴ mật độ khơng khí, R bán kính vịng qt tuabin gió, vận tốc gió, CQ ( , ) hệ số mơ men, C P ( , ) hệ số công suất chuyển đổi Cả mô men xoắn công suất chuyển đổi hàm tỉ số vận tốc rìa góc chúc ngóc Tỉ số vận tốc rìa tỉ số vận tốc đỉnh rìa cánh quạt tuabin gió vận tốc gió, tính sau: r R v (2) Trong r vận tốc góc rotor Các hệ thống lượng gió độc lập thường bao gồm tuabin gió nguồn lượng tái tạo khác pin ắc quy, máy phát diesel.v.v Do việc điều 104 Số 28 Hình Hệ chuyển đổi lượng gió độc lập Loại máy phát sử dụng phổ biến hệ lượng gió độc lập máy phát đồng nam châm vĩnh cửu PMSG (permanent magnet synchronous generator) Mơ hình tốn máy phát PMSG hệ tọa độ d, q trục q chỉnh với điện áp stato điện trở stato bị bỏ qua [5]: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) dird U Lr rd dt dirq Rr ird U Rr irq Lr rq T p i Ls sd rq dt Tem s s s Lr irq T d sd Ls dt s Lr ird s s T Ls (3) T T J K J Suy ra: sd Tem (5) J Theo có hệ phương trình trạng thái: Trong ird , irq dịng điện d, q rotor; x1 x2 Lr , Ls x2 f t điện cảm rotor, stator; Rr điện trở rotor; p số cặp cực; s từ thơng; s tốc độ góc đồng bộ; Tem mô men điện từ máy phát XÂY DỰNG BỘ QUAN SÁT MƠ MEN XOẮN Mơ men tham chiếu khối bám đỉnh công suất phải giải vấn đề tối đa hóa cơng suất thu cách theo dõi Topt mô men xoắn tối ưu Công suất đầu (Kw) R3Cq ( )v Với x1 K x J Tem (6) J T ; f t đạo hàm x J ; x2 thời gian Theo [7] quan sát HGO (high gain observer) mơ men tốc độ có phương trình: xˆ Axˆ xˆ, u S 1C TC xˆ x (7) Trong đó: A ;C 0 1 0; 0 ;S 1 Từ đầu quan sát xác định giá trị mô men Tˆ J xˆ2 Cơng suất lớn đầu tốc độ gió 12 m/s ĐIỀU KHIỂN TUỐC BIN ĐIỆN GIÓ TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT Mục tiêu điều khiển điều khiển tối ưu hóa cơng suất đầu giảm dao động momen xoắn [2,5] Công suất phản kháng biểu thị sau: Tốc độ turbine (pu) Hình Cơng suất đầu ứng với tốc độ gió Vùng hoạt động tối ưu turbine vùng không bị giới hạn tốc độ nhiên, hệ thống có phi tuyến tính Vì cần xây dựng điều khiển cho kiểm soát tối ưu hóa thu lượng gió giảm thiểu tác động phi tuyến [5] Theo [2] có phương trình truyền động rotor turbine: d J dt T K Tem (4) Trong T mơ men gió sinh [1]: Us Qs UsM s Ls Ls I rd (8) Khi công suất phản kháng ta có: Us (9) s s Us Do đó: I rd _ ref s M (10) Đặt biến sai số dịng điện phần ứng mơ men xoắn: eI rd eT opt I rd Topt I rd _ ref Tˆ (11) Qua biến đổi có: Số 28 105 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) eI rd eT opt M d sd U rd Rr I rd g s Lr I rq I rd _ref Lr Ls dt (12) U rq Rr I rq g s Lr I rd M p Tˆ M Ls Lr s g s sd Ls Đặt hai hàm F1 F2 sau: F1 g s Lr I rq Lr F2 M p Ls Lr s M d sd Ls dt I rd _ ref g s Lr I rd M Ls g s (13) sd Tˆ rd eT opt 1 U F1 RI Lr rd Lr r rd M M p U F2 p Ls Lr s rq Ls Lr y1 y1 (14) Xây dựng điều khiển trượt cho hệ máy phát điện điện gió có dạng: opt RI Lr r rd Sgn(eT ) opt opt U rd y2 y1 B4Sgn(eI ) B2 eI rd M Ls Lr Sgn(eI ) p rd s Rr I rq rd (15) Trong số B1, B2 , B3 , B4 thỏa mãn điều kiện sau: B1 RI s s rq B1 eT B2Sgn(eT ) F1 Đạo hàm bậc biểu thức (12) có: eI U rq F2 B3 M Ls Lr p s , B22 (B1 2 r L (B1 ) ) (16) 2 Lr , B42 (B3 2 r L (B3 ) ) Với điều khiển ln đảm bảo I rd _ ref I rd ;Topt Tˆ thời gian hữu hạn MƠ PHỎNG Hình Mơ hình mơ hệ thống phát điện gió Một máy phát điện gió 1,5 MW kết kép (DFIG) bao gồm máy phát điện cảm nối với hệ thống phân phối 25 kV xuất ứng rôto dây quấn chuyển đổi điện cho lưới 120 kV thông qua trung PWM dựa IGBT AC / DC / AC chuyển 30 km, 25 kV Tuabin gió sử dụng Cuộn dây stato nối trực tiếp với máy phát điện cảm ứng cấp nguồn lưới 60 Hz rơto cấp nguồn 106 Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tần số thay đổi thông qua chuyển đổi AC/DC/AC Bộ điều khiển trượt cho phép khai thác lượng tối đa từ gió cho tốc độ gió thấp cách tối ưu hóa tốc độ tuabin, đồng thời giảm thiểu ứng suất học lên tuabin gió giật Trong mơ phỏng, tốc độ gió trì khơng đổi 15 m/s Thông số máy phát sau: Rs 0.023 ; Rr 0.016 ; Ls 0.18H ; Lr 0.16H Hình Điện áp nối lưới Hình Cường độ dịng điện nối lưới ; p = 3; cơng suất P = 1.5 MW; tần số f 60Hz Tiến hành mơ cho trường hợp tốc độ gió giảm m/s thời điểm 0.03 giây Hình Công suất máy phát Công suất phản kháng máy phát tốc độ gió giảm Hình Điện áp đầu máy phát Hình 10 Cơng suất phản kháng máy phát Hình Cường độ dịng điện đầu máy phát Hình 11 Tốc độ rotor máy phát Nhận xét: Từ kết mô thấy điều khiển trượt cho chất lượng điều khiển tốt Trong điều kiện turbine gió chịu ảnh hưởng yếu tố phi tuyến Số 28 107 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hệ thống đảm bảo độ ổn định điện áp dòng điện nối lưới Khi giảm đổi tốc độ gió, cơng suất phát giảm 30% nhanh chóng ổn định thời gian 0.17 giây KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết tổng hợp BĐK trượt cho hệ máy phát điện turbine gió Phần trình bày việc xây dựng mơ hình hệ, tìm luật điều khiển, xây dựng mơ hình mơ phỏng, kiểm nghiệm phần mềm MatlabSimulink Qua kiểm tra so sánh với kết công bố trước [26] cho thấy BĐK nâng cao chất lượng hệ phát điện turbine gió thơng qua tiêu chí đánh giá, là: tính bền vững với nhiễu loạn gió, đảm bảo khả ổn định tần số, điện áp, dòng điện nối lưới TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ahmed G Abo-Khalil, Saeed Alyami, Khairy Sayed and Ayman Alhejji, Dynamic Modeling of Wind Turbines Based on EstimatedWind Speed under Turbulent Conditions, Energies 2019, 12, 1907; doi:10.3390/en12101907 [2] Nada Zine Laabidine, Afrae Errarhout, Chakib El Bakkali, Karim Mohammed, Badre Bossoufi, Sliding mode control design of wind power generation system based on permanent magnet synchronous generator, International Journal of Power Electronics and Drive System (IJPEDS)Vol 12, No 1, Mar 2021, pp 393~403 [3] Yan Zhang, Zhengfan Liu, Zhong Yang, and Haifei Si, Robust Control of Wind Turbines by Using Singular Perturbation Method and Linear Parameter Varying Model, Journal of Control Science and Engineering, Volume 2016, Article ID 2830736 [4] M A Chowdhury, N Hosseinzadeh and W Shen, Effects of wind speed variations and machine inertia constants on variable speed wind turbine dynamics, Journal of Electrical Engineering, 2011 [5] Jacob Hostettler & Xin Wang, Sliding mode control of a permanent magnet synchronous generator for variable speed wind energy conversion systems, Systems Science & Control Engineering, 2020 [6] N V Zubova and V D Rudykh, Optimization of power output for a wind turbine using methods of artificial intelligence, International Scientific and Technical Conference “Energy Systems”, Oct 2019 [7] Khalil, High-Gain Observers in Nonlinear Feedback Control, in Proc International Conference on Control, Automation and System, Seoul, Korea, 2008, pp 10-16 Giới thiệu tác giả: Tác giả Đặng Tiến Trung nhận tốt nghiệp đại học chuyên ngành kỹ sư điện tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004, bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 Học viện Kỹ thuật quân Tác giả giảng viên Khoa Kỹ thuật điện- Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: Ứng dụng giải pháp điều khiển đại hệ thống điện 108 Số 28 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 28 109 ... 1 Từ đầu quan sát xác định giá trị mơ men Tˆ J xˆ2 Công suất lớn đầu tốc độ gió 12 m/s ĐIỀU KHI? ??N TUỐC BIN ĐIỆN GIÓ TRÊN CƠ SỞ ĐIỀU KHI? ??N TRƯỢT Mục tiêu điều khi? ??n điều khi? ??n tối ưu hóa cơng... trình bày kết tổng hợp BĐK trượt cho hệ máy phát điện turbine gió Phần trình bày việc xây dựng mơ hình hệ, tìm luật điều khi? ??n, xây dựng mơ hình mơ phỏng, kiểm nghiệm phần mềm MatlabSimulink Qua kiểm... hình máy phát điện gió Khi gió xun qua vòng quét của khi? ??n cho hệ thống lượng gió tuabin tạo lực tác động vào độc lập chia thành nhiều vòng điều tuabin Các lực bao gồm lực đẩy (tác khi? ??n để đảm